Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und der Ruhr-Universität Bochum haben herausgefunden, dass Bipolarplatten auf Kohlenstoffbasis eine kosteneffizientere und zugleich skalierbare Alternative sein und damit die bisher verwendeten Titanplatten ersetzen können.
Die entwickelte Bipolarplatte besteht aus einer thermoplastischen, polymergebundenen Kohlenstoffmatrix. Leitfähige Additive wie Ruß und Graphit ergänzen die Zusammensetzung. Ein Pulver-zu-Rolle-Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Fertigung. Die Platte zeichnet sich außerdem durch eine leichte Bearbeitbarkeit und Verschweißbarkeit aus und wird bereits im Bereich der Redox-Flow-Batterien kommerziell verwendet.
Umfangreiche Tests belegen Leistungsfähigkeit
Bipolarplatten auf Kohlenstoffbasis haben das Potenzial, Bipolarplatten aus Titan im Elektrolyse-Stack zu ersetzen (© Fraunhofer UMSICHT)
Die Forscher unterzogen die neue Bipolarplatte sowie eine herkömmliche Titanplatte umfassenden Prüfungen. Bei den Ex-situ-Untersuchungen führten sie elektrochemische Korrosionsstudien durch. Anschließend analysierten sie die Korrosion in Rasterelektronenmikroskop-Bildern und maßen den Gewichtsverlust der Bipolarplatte, um die Eignung für reale Anwendungen und die Wahl der Parameter zu bewerten. Bei den In-situ-Tests simulierten die Forschenden über 500 Stunden lang eine beschleunigte Alterung bei wechselnden Stromdichten zwischen 1 und 3 A cm-2.
Die Kohlenstoff-Bipolarplatte zeigte eine Alterungsrate im niedrigen µV h-1-Bereich und verfügt dadurch über eine vielversprechende Leistung. Damit kann sie durchaus mit Titan-Bipolarplatten konkurrieren und stellt eine wesentlich kostengünstigere Alternative dar. Ein weiterer Vorteil: Aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie der Verschweißbarkeit ermöglicht sie ganz neue Designs für PEM-Elektrolyseure. Das Potenzial, Titan-Bipolarplatten im PEM-Elektrolyse-Stack zu ersetzen und die Elektrolyse gleichzeitig skalierbar zu machen, sei laut den Forschenden definitiv vorhanden. Nun müsse das neue Material weiter untersucht und optimiert werden, um die Kosten der Elektrolyse weiter zu senken. Die gesamten Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials” veröffentlicht.
Die Elektrolyse ist auf Grund ihrer Schlüsselkomponente, der Bipolarplatte, momentan noch wenig wirtschaftlich, da diese in der Regel aus Titan besteht. Das Metall überzeugt durch seine Korrosionsbeständigkeit, ist aber aufgrund aufwendiger Gewinnung und Verarbeitung teuer. Dadurch gibt es auch viel Forschung, in dem Bereich, um die Bipolarplatte effizienter, günstiger und in Massenproduktion herzustellen.
